不同調(diào)節(jié)方式下二次風機低負荷運行能耗分析

張文元

(山西國際能源集團有限公司，山西 太原 030001)

根據(jù)山西省發(fā)布的《山西省防范化解煤電產(chǎn)能過剩風險工作方案》的要求，將實施煤電機組節(jié)能改造，到2020年全省燃煤機組供電煤耗達到國家規(guī)定的能耗標準要求，即低于310 g/(kW·h)。

面對目前火電機組常年低負荷運行的困境及國家對于火電機組更低供電煤耗和超低排放的要求，結(jié)合CFB技術(shù)在燃料靈活性和燃燒過程中低成本脫硫脫硝方面的潛力，CFB機組作為較成熟的高效環(huán)保型燃煤技術(shù)，近幾年得到了快速發(fā)展。但是與煤粉爐機組相比，風機數(shù)量多，風機壓頭高，造成廠用電率居高不下，直接影響到機組供電煤耗。為解決此問題，在建CFB低熱值煤項目基本上風機都采取了變頻技術(shù)，更有甚者采用小汽輪機驅(qū)動風機。針對現(xiàn)役運行機組而言，風機如何適應(yīng)長期性低負荷運行及電源側(cè)靈活性改造，迫在眉睫。

在風機的應(yīng)用中有許多因素影響其在最佳工況運行，如風機選型不當、管路系統(tǒng)設(shè)計不當、調(diào)節(jié)方式不當?shù)萚1]。在循環(huán)流化床鍋爐中，二次風主要起助燃及加強床料混合的作用，特點為壓頭低、流量大，隨負荷變化浮動大。針對二次風機結(jié)合在役運行CFB機組的各種調(diào)節(jié)類型，通過研究影響風機最佳運行的因素，尤其是研究低負荷下風機的不同調(diào)節(jié)方式和運行方式，為二次風機的節(jié)能提供依據(jù)。

1 風機經(jīng)濟運行影響因素分析

風機的經(jīng)濟運行是風機的選型、管路的設(shè)計及變工況調(diào)整等因素共同作用下的結(jié)果。風機的選型參數(shù)過大會造成風機落入低效區(qū)運行，同時還會造成風機工況點落入喘振區(qū)域[2]。因此，主要分析在風機選型已定的情況下，二次風機在不同運行方式及調(diào)節(jié)方式下的能耗情況。

2 低負荷下入口擋板調(diào)節(jié)能耗分析

某二次風機采取進口擋板調(diào)節(jié)的試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 二次風機進口擋板調(diào)節(jié)方式下并列運行各臺風機參數(shù)(滿負荷200 MW)1#

根據(jù)表1的試驗數(shù)據(jù)及風機性能參數(shù)擬合出風機性能曲線群，如圖1所示。H為2臺風機并列運行時的風機性能曲線，H1為1#風機單臺運行時的風機性能曲線，H2為2臺風機并列運行時2#風機的性能曲線。R1為負荷120 MW下風機管路特性曲線，R2為負荷100 MW下風機管路特性曲線，R3為負荷90 MW下風機管路特性曲線。根據(jù)風機并聯(lián)運行理論可知，并列運行的風機流量是2臺風機的流量之和，管網(wǎng)阻力值由2臺風機的共有壓力克服[3-4]。

當機組運行在50%負荷下時，機組并聯(lián)運行的工況點為B。根據(jù)與上述相同的分析方法可知，由于擋板調(diào)節(jié)的原因，風機的管路曲線發(fā)生偏移。風機在R2管網(wǎng)中運行時，2臺風機采用并列運行的全壓和風量與1#風機的全壓和風量接近，幾乎為同一工況點。根據(jù)風機并列運行的理論，當全壓不變時， 2#風機實際上并沒有在2臺風機并列運行時出力，僅1#風機滿足此時負荷下對風量和風壓的要求。

當機組運行在40%負荷下時，機組并聯(lián)運行的工況點為C。同理可知，風機在R3管網(wǎng)中運行時，2臺風機采用并列運行的全壓介于單獨運行的全壓之間，并列運行時的風量也介于單獨運行時的風量之間。從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，由于2#風機與1#風機并列運行，導(dǎo)致1#風機的實際出力降低，2#風機阻礙了1#風機的運行，導(dǎo)致2#風機出現(xiàn)負流量。

從風機采取入口擋板調(diào)節(jié)的運行結(jié)果中可以得出，50%負荷以下時采用單臺二次風機運行；50%負荷以上時，從提高運行經(jīng)濟性的角度考慮，采用2臺風機并列運行。

3 低負荷下液阻調(diào)速能耗分析

液體電阻調(diào)速器主要由液阻柜和冷卻柜組成，是利用電機最大轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子電阻無關(guān)，轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)子電阻成正比這一基本原理而設(shè)計開發(fā)的。其根本原理是轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，其技術(shù)關(guān)鍵是在電機轉(zhuǎn)子回路中串入熱容量大的液體電阻，通過傳動裝置平滑地調(diào)整液體電阻中兩極板間的距離，改變串入電機轉(zhuǎn)子回路中的電阻，利用改變轉(zhuǎn)子回路的電阻來改變電機轉(zhuǎn)差率而實現(xiàn)無級調(diào)速。電阻越大，電機轉(zhuǎn)速越低；電阻為0，電機達到全速。在調(diào)速運行狀態(tài)下，電阻長期通電所產(chǎn)生的焦耳熱，由循環(huán)裝置將液體強制泵入換熱設(shè)備，進行散熱，換熱用的冷卻水可以循環(huán)使用。

圖1 入口擋板調(diào)節(jié)下二次風機性能曲線

通過對某臺300 MW CFB機組以液阻調(diào)速的二次風機做實驗發(fā)現(xiàn)，在保證相同負荷、入口擋板開度一致的情況下，當機組負荷降低到180 MW時，液阻開度幾乎為0，為了保證二次風機風壓的要求，只能降低入口擋板開度，試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

液阻調(diào)速效率和負載的關(guān)系曲線如圖2所示。隨著負載的變化，液阻的調(diào)速效率并非為線性變化，尤其是當負荷降低時，由于電阻與電流的非線性變化關(guān)系，調(diào)速效率在低負荷時大幅降低，造成液阻調(diào)速機組低負荷時的調(diào)節(jié)性能降低。通過表2可知，在負荷為200 MW，且滿足二次風壓要求的前提下，由于單臺風機液阻開度遠高于并列運行，其電流降低了18.5 A。

轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的損耗僅是靜止電阻上的損耗。因此，在所有低效調(diào)速方法中，其節(jié)能率最高。在轉(zhuǎn)差率S很小的范圍內(nèi)調(diào)速時，其節(jié)能率比高效調(diào)速方法還要高，主要原因在于：當S很小時，轉(zhuǎn)差功率很小。當高效調(diào)速方法裝置本身損耗還大于轉(zhuǎn)差功率時，電網(wǎng)還要向調(diào)速裝置多供給一些功率，以抵償部分裝置的損耗。

圖2 調(diào)節(jié)效率與負載關(guān)系

實際運行中，液阻調(diào)節(jié)精度低，調(diào)節(jié)特性曲線線性度差，對電網(wǎng)調(diào)節(jié)響應(yīng)慢，當風機工作在低轉(zhuǎn)速工況下時，轉(zhuǎn)子總電阻偏大。此時，改變液阻開度，轉(zhuǎn)子總電阻變化比例很小，轉(zhuǎn)速改變的大小不明顯。電機串電阻調(diào)速系統(tǒng)屬于有級調(diào)速，調(diào)速的平滑性差；低速時機械特性較軟，靜差率較大。所以，液阻調(diào)速的調(diào)節(jié)范圍較窄，但與變頻調(diào)節(jié)相比，其投資低，同時在高負荷時調(diào)節(jié)效率高于變頻調(diào)節(jié)方式。

通過對低負荷下單臺二次風機運行方式和2臺二次風機并列運行方式所產(chǎn)生的節(jié)能效果的比較可知，當風機采用液阻調(diào)速時，在負荷低于70%的情況下，單臺二次風機運行的方式更節(jié)能。

4 低負荷下變頻調(diào)速能耗分析

根據(jù)電機學(xué)中交流異步電動機的轉(zhuǎn)速公式n=60f(1-S)/p可知，通過改變頻率f，將從電網(wǎng)接收的50 Hz工頻交流電，經(jīng)過恰當?shù)膹娭谱儞Q方法，變換成為頻率和幅值都可調(diào)節(jié)的交流電輸出到交流電動機，實現(xiàn)交流電動機的變速運行，即為變頻調(diào)速[5]。

變頻調(diào)速的調(diào)節(jié)線性好，可以對風機進行平滑的無極調(diào)速，調(diào)節(jié)范圍寬。同時，變頻調(diào)速可以提高輸入功率因素，一般可達0.95。當電機采用變頻調(diào)節(jié)時，在全負荷工況下電機可維持高效率，如圖2所示。但是，由于變頻器在低頻下會產(chǎn)生高次諧波，會對變頻器的絕緣阻值產(chǎn)生影響，會影響變頻器的壽命。

表2 二次風機液阻調(diào)節(jié)方式下并列運行各臺風機參數(shù)(滿負荷300 MW)

在采用變頻調(diào)節(jié)時，為了控制磁通量保持不變，在頻率降低時，電機電壓也會跟著頻率成比例的變化，而風機為3次方遞減轉(zhuǎn)矩負載，電流會隨著頻率變化，電機功率與頻率的3次方成正比。表3為山西某電廠采取變頻調(diào)節(jié)的二次風機運行參數(shù)，在風機入口擋板全開、低負荷運行的情況下，單臺風機運行始終比2臺風機并列運行能耗大。

由于變頻調(diào)節(jié)不存在低負荷下調(diào)節(jié)性能差的問題，全頻段都能保證風機的高效率運行，尤其是風機在低頻下運行節(jié)能效果更好，同時從實際經(jīng)濟運行及風機安全運行角度考慮，對于采取變頻調(diào)節(jié)的風機，建議采取2臺風機并列運行的方式。

表3 二次風機變頻調(diào)節(jié)方式下并列運行各臺風機參數(shù)(滿負荷300MW)

5 結(jié) 論

1)對于采用進口擋板調(diào)節(jié)的二次風機，從經(jīng)濟性和安全性考慮，50%負荷以下時，采用單臺二次風機運行。

2)風機采用液阻調(diào)速時，在負荷低于70%時，采取單臺二次風機運行的方式更節(jié)能。

3)由于變頻調(diào)節(jié)不存在低負荷下調(diào)節(jié)性能差的問題，全頻段都能保證風機的高效率運行，從經(jīng)濟運行及安全運行角度考慮，對于采取變頻調(diào)節(jié)的風機，建議采取雙臺風機并列運行的方式。

[1] 景 博，張培華.電站鍋爐引風機系統(tǒng)節(jié)能分析[J].節(jié)能，2016(7)：31-35.

[2] 續(xù)魁昌，王洪強，蓋京方.風機手冊[M].第2版.北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[3] 邢國清，張 清.流體力學(xué)泵與風機[M].第4版.北京：中國電力出版社，2015.

[4] 王泉海，盧嘯風，魯佳易，等.循環(huán)流化床一、二次風管網(wǎng)特性及風機選型研究[J].中國電力，2012，45(10)：36-41.

[5] 汪書蘋，盛明珺，胡 丹.風機泵類高壓變頻改造的節(jié)能分析及計算方法[J].電力自動化設(shè)備，2011，31(3)：117-120.